一文讀懂 | 集成電路制造技術(shù)

集成電路的歷史從1958年TI的第一顆Flip-Flop電路開始，那時(shí)候只有兩個(gè)晶體管組成一個(gè)反相器而已。發(fā)展至今已有十億個(gè)晶體管的CPU了，而這些都不得不來自于半導(dǎo)體制造業(yè)的技術(shù)推進(jìn)得以持續(xù)scalable。

半導(dǎo)體能夠變成現(xiàn)實(shí)主要是它能夠?qū)崿F(xiàn)“0”和“1”的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，而在硬件上就是從真空二極管(Vacuum Tube)開始的。大概在第二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候，電子計(jì)算機(jī)開始投入適用主要用于通信密碼破譯，但是這些晶體管的性能會(huì)很快退化增加Trouble shooting的時(shí)間，間接阻礙了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

直到1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位前輩其中一位是William Shockley他們發(fā)明了點(diǎn)接觸的Ge晶體管，然后1950年，Shockley又發(fā)明了第一個(gè)BJT。這些和真空二極管比起來，可靠性和功耗以及尺寸都得到了很搭提高。尤其是BJT是三端晶體管可以當(dāng)作電控開關(guān)(electrical switch)，其中一個(gè)端子就可以作為控制端。1958年，TI的Jack Kilby在Silicon上做出了兩個(gè)BJT，開啟了“Silicon Age”。早期的電路都是用BJT做的，從BJT的原理可以直到，BJT是靠電流驅(qū)動(dòng)的(Base加電流)，而Ice又是雙載流子器件，所以它除了驅(qū)動(dòng)電流大之外，還有個(gè)問題就是靜態(tài)漏電也大，所以如果你的電路非常龐大你的漏電功耗損失將無法接收，所以限制了它的適用。

再到1963年，仙童公司(Fairchild)公司發(fā)明了NMOS和PMOS對稱互補(bǔ)器件組成的CMOS電路，這就是現(xiàn)在我們耳熟能詳?shù)腃MOS技術(shù)。由于它的控制極Gate是靠柵極跨過Gate Dielectric電場耦合實(shí)現(xiàn)的，所以沒有控制電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗，所以理論靜態(tài)功耗可以到“0” (當(dāng)然實(shí)際上還是有Gate leakage)。實(shí)際上早期IC都是只用NMOS+BJT實(shí)現(xiàn)電路的，而沒有用PMOS，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候沒有Twin Well技術(shù)。直到1980年代CPU的晶體管已經(jīng)到了幾千個(gè)了，而這時(shí)候的功耗已經(jīng)無法接收了，才不得不走入CMOS (Twin Well)時(shí)代。

接下來的年代就一直沿著1965年誕生的摩爾定律循規(guī)蹈矩的scaling了，帶來速度、密度、性能的一次次提升。一路從Bulk-Si走到32nm走不下去了，才開始從Planar走向3D FinFET以及SOI技術(shù)。

MOSFET器件

MOSFET來自Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Trasistor，Metal就是Gate柵極作為控制極的，而Oxide是柵氧作為場效應(yīng)感應(yīng)反型溝道的，Semiconductor自然就是襯底溝道的硅了，而Field Effect自然就是說它的工作原理了，它的控制極是靠柵極電壓通過柵極氧化層感應(yīng)產(chǎn)生反型溝道實(shí)現(xiàn)源漏導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)“0”和“1”的轉(zhuǎn)換。

MOS結(jié)構(gòu)

MOSFET是四端結(jié)構(gòu)，分別是柵極、源極、漏極、和襯底(Body)。結(jié)構(gòu)上面的柵極是低電阻的材料形成，他與襯底的溝道之間還要有個(gè)薄的柵氧化層。一般情況，源漏極是和襯底以及溝道相反的摻雜類型（比如NMOS的源漏是N-Type，而襯底和溝道就是P-type），所以源漏極之間因?yàn)楦髯缘腜N節(jié)就關(guān)閉了。但是當(dāng)柵極加電壓(NMOS加正電壓，PMOS加負(fù)電壓)，通過柵極氧化層感應(yīng)一個(gè)電場加在了溝道表面，所以襯底的少數(shù)載流子就被吸附到溝道表面累積并反型，最后變得和源漏極摻雜一樣了，從而實(shí)現(xiàn)了源漏極導(dǎo)通。一般柵極的開啟電壓(Vt)會(huì)收到柵極與襯底的功函數(shù)以及柵氧的厚度/質(zhì)量，還有襯底的摻雜濃度共同決定的。

為什么用Poly作為柵極材料

最原始MOSFET發(fā)明的時(shí)候用的柵極材料是金屬鋁，這就是為什么叫MOS，而不是POS了，哈哈。

后來才發(fā)展到Poly了。主要是由于Metal Gate都是“Gate Last”制程，先做Source/Drain然后用鋁做柵極gate，但是這樣的問題是柵極和源漏必須要有一定的overlap確保柵極和源漏必須是鏈接起來的(一般2.5um的鋁柵MOSFET的源漏Overlap是0.5um)。但是這樣的overlay電容(Cgs/Cgd)導(dǎo)致了總米勒電容的增加電路速度的降低等。

解決柵極與源漏overlay電容的問題，就必須要用自對準(zhǔn)的源漏，先做Gate然后用Gate做mask打Source/Drain的implant實(shí)現(xiàn)自對準(zhǔn)，這就是“Gate-First”工藝。

而如果沿用原始的鋁柵，則無法承受800C的高溫(純鋁的熔點(diǎn)是660C，AlSiCu合金的熔點(diǎn)<500C)。所以才有了Poly作為“Gate-First”制程的柵極材料，但是Poly的電阻很高，所以后來有了doped poly。

也有說柵極材料換成poly的原因是功函數(shù)，Metal的功函數(shù)太高，使得Vt可以達(dá)到3~5V，這在以前的MOSFET可以接收，但是到submicron時(shí)代肯定不能接受了，所以可以用Poly通過doping來調(diào)節(jié)功函數(shù)進(jìn)而調(diào)整Vt。

MOSFET的工作原理

MOSFET的關(guān)鍵在于柵極，它控制著器件源漏的關(guān)閉和開啟，所以它如同水龍頭的開關(guān)。以NMOS為例(源漏為N-type，溝道和襯底是P-type)，當(dāng)柵極加正電壓則襯底耦合感應(yīng)出少數(shù)載流子到溝道表面直到溝道表面反型，使源漏連通起來。整個(gè)過程中源漏的N-type與襯底的P-type這兩個(gè)PN結(jié)必須零偏或反偏(Source和Body接地，Drain接正電壓)，所以他屬于PN結(jié)隔離型器件。

Small dimention Effect

引用《微機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)》的一段話(Page-9)，“不是所有的東西小型化之后性能都會(huì)變好，有些物理效應(yīng)當(dāng)尺寸變小之后性能反而變差。因?yàn)橛行τ诤暧^范圍器件可以忽略的物理效應(yīng)在微觀尺寸突然變得很突出，這就是比例尺定律。比如跳蚤可以跳過自身高度的幾十倍，而大象卻做不到”。

對于MOSFET來講，當(dāng)drain加反偏電壓的時(shí)候，PN結(jié)的耗盡區(qū)變寬會(huì)延伸到溝道區(qū)，所以有效溝道長度Leff=Lpoly-2*Depletion，如果溝道長度足夠長則Leff近似等于Lpoly，可是當(dāng)Lpoly非常小的時(shí)候則耗盡區(qū)占Lpoly的比例則非常大而不可忽略，于是就有了短溝道效應(yīng)。

接下來我們討論等比例縮小帶來的一些列問題：

載流子速度飽和以及遷移率下降

載流子在溝道里面的速度與溝道電場有關(guān)，當(dāng)電場升高的時(shí)候，速度總會(huì)達(dá)到飽和的，這就是速度飽和效應(yīng)，也就是為什么飽和區(qū)電流不隨Drain電壓的增加而增加了。而且在高電場下，載流子散射比較嚴(yán)重，也會(huì)導(dǎo)致遷移率下降，而且氧化層界面散射也會(huì)嚴(yán)重，所以載流子遷移率會(huì)進(jìn)一步下降。

漏電壓導(dǎo)致勢壘降低

另外一個(gè)短溝帶來的問題就是Drain端電壓改變了溝道表面勢壘，使得Vt降低。長溝器件的溝道勢壘是由柵極電壓Vg決定的，但是短溝器件的溝道勢壘是由柵源電壓(Vgs)和柵漏電壓(Vgd)決定的。如果漏極電壓升高，漏極PN結(jié)耗盡區(qū)會(huì)橫向延伸進(jìn)入gate下面，所以在Vg比較低的情況下，溝道表面勢壘由于電場增加而降低，使得載流子還是能溜過去，這也叫亞閾值漏電(Subthreshold Leakage)。具體可見《MOS器件理論之–DIBL, GIDL》。

源漏穿通

這個(gè)我感覺和DIBL沒什么差別，也是Drain端電壓帶來的問題，耗盡區(qū)寬度延伸進(jìn)入溝道和源極的耗盡區(qū)不小心碰到一起了。和DIBL不一樣的是，一個(gè)是針對溝道勢壘而改變Vt，一個(gè)是針對源極導(dǎo)致漏電的。

熱載流子效應(yīng)

這個(gè)也是一個(gè)道理了，溝道長度減小，溝道電場增加，如果Drain電壓增加，使得導(dǎo)致耗盡區(qū)延展，靠source更近了，也會(huì)進(jìn)一步使得源漏橫向電場增強(qiáng)，所以溝道載流子碰撞激烈，產(chǎn)生很多的電子空穴對，而這些電子空穴對在柵極電壓下的驅(qū)使下進(jìn)入襯底形成Isub。那為啥叫熱載流子呢？因?yàn)殡妶鲈黾訉?dǎo)致載流子加速，動(dòng)能增加所以電子溫度升高了，只是你感受不到而已，那為什么通常都是NMOS比PMOS厲害呢，因?yàn)镹MOS是電子，質(zhì)量小速度快，而PMOS是空穴質(zhì)量大速度小，而動(dòng)能E=1/2*m*v^2，所以速度才是dominate。

Scaling時(shí)代的創(chuàng)新

遷移率加速器: 應(yīng)變硅(Strain Silicon)

前面提到了當(dāng)器件縮小帶來的載流子遷移率下降問題，也不是無解。我們可以在溝道里用薄薄的鍺(Ge)材料來提高載流子遷移率，或者試用應(yīng)變硅引入溝道應(yīng)力來提升溝道載流子遷移率。而應(yīng)變硅技術(shù)包括使用張應(yīng)力(Tensile)和壓應(yīng)力(Compress)來提升載流子遷移率從而得到晶體管性能的提升，比如PMOS的空穴載流子就可以通過channel的壓應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)，這在45nm以下的時(shí)候就開始采用了 《Strained silicon — the key to sub-45 nm CMOS》。

對于制造溝道應(yīng)變硅，需要在源漏區(qū)域外延填充Si-Ge層(20%Ge + 80% Si混合)，由于Ge原子比硅原子大，所以產(chǎn)生了推向溝道的壓應(yīng)力，從而使溝道的空穴載流子遷移率提高，進(jìn)而提高了電流驅(qū)動(dòng)能力和電路速度。這種技術(shù)最早是Intel在2003年用于90nm CMOS上，PMOS電流驅(qū)動(dòng)能力提升25%。而這種源漏嵌入Si-Ge技術(shù)稱之為e-SiGe (Embedded-SiGe)技術(shù)，但是Si-Ge應(yīng)變硅技術(shù)只能提升PMOS，而NMOS怎么辦呢？對于電子必須要有Tensile的Stress才能增強(qiáng)它的載流子遷移率，把SiGe嵌入到源漏肯定不行了，那就把他嵌入到溝道下面也可以產(chǎn)生Tensile應(yīng)力，但是這種工藝的實(shí)現(xiàn)難度幾乎不可能，所以后來就有了在NMOS周圍增加一個(gè)Si3N4，來產(chǎn)生額外的應(yīng)力。這種方法可以讓器件全部產(chǎn)生Compressive應(yīng)力也可以全部產(chǎn)生Tensile應(yīng)力，當(dāng)然也可以分別對PMOS產(chǎn)生Compressive而對NMOS產(chǎn)生Tensile，但是用這種SiN產(chǎn)生的應(yīng)力的晶體管對Poly Space的mismatch影響特別大(原因我還不知道。

說到了應(yīng)變硅，這貌似都是12寸的理論，離我們很遙遠(yuǎn)嗎？其實(shí)8寸也有這個(gè)問題，我們0.18um及其以下技術(shù)都有個(gè)效應(yīng)叫做LOD (Length of Drain/Diffusion)，意思就是說溝道長度“L”的方向上有源區(qū)邊緣離溝道邊緣的距離對器件電流的影響，就是如下圖的SA和SB，這個(gè)器件影響在SPICE仿真里面在BSIM 4.0以上的模型就有了，所以在Analog電路仿真非常care mismatch的時(shí)候(如: Current mirror, Differential pair，ADC/DAC等電路)一定要帶入?yún)?shù)SA和SB，不要到時(shí)候又要來complain fab說mismatch不好。

原因是啥呢？主要是因?yàn)榕赃叾际荢TI，里面的HDP Oxide產(chǎn)生了compressive應(yīng)力，所以按照e-SiGe的理論，PMOS的載流子遷移率會(huì)變大，而NMOS的載流子遷移率會(huì)變小，所以PMOS飽和電流會(huì)變大，NMOS的飽和電流會(huì)變小，如下圖I-V curve。

那接下來的問題是，如果我SA和SB全部畫成一樣不就好了嗎？模擬的世界你永遠(yuǎn)不懂！

假設(shè)如下圖一個(gè)MOS有兩個(gè)Gate組成的multi finger呢？這里就更復(fù)雜了。。。。這里需要SA11=SA21、SB11=SB21、SA12=SA22且SB12=SB22，MOS1才能等于MOS2。

如果再進(jìn)一步把MOS1和MOS放到一個(gè)大OD上去呢？里面就沒有問題了，可是最外面的SA和SB怎么辦？如何消除LOD的影響？只能把OD拉大了，通常是SA或SB>=5um即可，或者最外面的MOS不要用，也就是dummy gate。

所以說device里面STI的引入會(huì)帶來mismatch的原因知道了吧？

柵極漏電：High-K

柵極氧化層的厚度隨著等比例縮小也一直減薄，到65nm的時(shí)候需要有效柵氧厚度(EOT)接近23A( phsical 16A)，再往下將就比自然氧化層還薄了，direct tunnel (Quantum Mechanical Tunneling)漏電根本無法承受?；剡^頭來想，我們?yōu)槭裁匆。恳驗(yàn)槲覀円玫礁叩目鋵?dǎo)來感應(yīng)溝道反型，那夸導(dǎo)來自于什么？公式自己查一下就知道了來自于電容，要提升電容你要么降低厚度，要么提高介電常數(shù)，既然降低厚度走不下去了，那就換介電常數(shù)吧。于是就有了High-K柵極介電材料。

High-K柵極材料的突破的突破來自于2007年，首次發(fā)明于Intel的45nm采用了HfO2 (Hafnium)，它的介電常數(shù)是25，而我們的SiO2是3.9，自己比一下吧。

多晶耗盡效應(yīng): Metal Gate

我記得我以前的文章有講過HKMG，柵極材料如果是多晶，那么它的摻雜是隨著柵極電壓會(huì)發(fā)生改變的，柵極底部靠近柵氧的摻雜會(huì)被電場吸上去，而底部近似不摻雜的poly會(huì)變成絕緣體，被計(jì)入柵極氧化層厚度里，導(dǎo)致夸導(dǎo)降低。當(dāng)然除了改用High-K材料外，還有就是換金屬柵極，當(dāng)然不能是鋁，后面源漏激活的高溫受不了。所以必須是難熔金屬，而且必須有合適的功函數(shù)，否則Vt就守不住了。

和High-K材料一樣，Metal Gate也是Intel率先在45nm上引入量產(chǎn)的，還是Intel牛啊。

器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

上面講的都是傳統(tǒng)的MOS結(jié)構(gòu)，一直縮小遇到的各種問題及解法。但是總有黔驢技窮的時(shí)候，所以該結(jié)構(gòu)勢在必行！也就是現(xiàn)在流行的SOI和FinFET技術(shù)。主要目的就是最大化Gate-to-Channel電容并且最小化Drain-to-Channel電容。

SOI技術(shù)

和傳統(tǒng)MOS最大不同是Well底部有個(gè)Oxide隔離著，所以叫做Silicon-on-Insulator (SOI)，所以它還是傳統(tǒng)的Planar結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)分三部分，上面的Silicon是器件部分，中間的Oxide是Insulator隔離作用，底部的硅是支撐用的，也叫“Handle Silicon”。

MOS結(jié)構(gòu)上看有兩種，一種叫做PDSOI，一種叫FDSOI。前者是表面硅的厚度幾乎等于PN結(jié)深度，所以源漏PN結(jié)靠近Well的耗盡區(qū)就被Buried Oxide隔離掉了，所以傳統(tǒng)的PN結(jié)隔離該用了Oxide絕對隔離了，所以漏電非常小，寄生電容也變小了，所以電路變快了。但是這種器件當(dāng)柵極耗盡并反型的時(shí)候，表面溝道只有一兩百埃，所以溝道下面的硅還有一部分屬于Well/Bulk，所以這種SOI技術(shù)叫做部分耗盡SOI (PDSOI: Partial Depleted)。

那問題就來了，PDSOI的Bulk四周都被隔離了，Bulk的電極如果不接出去的話會(huì)帶來什么問題？對，浮體效應(yīng)(Floating Body Effect)，所以Vt會(huì)拉低，電流會(huì)拉大，所以IV curve上你會(huì)看到包河區(qū)電流上翹，這就是Kink-Effect)。當(dāng)然如果要解決的話就是把襯底想法接出去即可，只是犧牲點(diǎn)面積而已。那么要解決襯底浮體的問題，又不想多接Bulk那怎么辦呢？也好辦，讓整個(gè)反型區(qū)全部耗盡即可，也就是FDSOI (Fully depleted)，這樣結(jié)電容更小了，所以更快了，也叫RFSOI了。但是它也不是免費(fèi)的午餐，這么薄的SOI (~200A)上的Silicon，制作工藝非常難，而且Silicon與下面的BOX的interface的漏電會(huì)導(dǎo)致溝道漏電的哦，還有這個(gè)溝道的self-heating會(huì)很嚴(yán)重。

FinFET

最后講一下SOI和FinFET，SOI如果能夠取代FinFET，那自然是好，畢竟它還是Planar技術(shù)，比較成熟。而且它還可以通過back-gate加上BOX來控制Vt，這在multi-Vt以及l(fā)ow power領(lǐng)域都是有優(yōu)勢的。

未來，讓我期待更先進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)，技術(shù)遠(yuǎn)不止于此！比如碳納米管, nano-wire FET, FinFET+化合物半導(dǎo)體，等等。